JP3582059B2

JP3582059B2 - Fuel evaporator

Info

Publication number: JP3582059B2
Application number: JP31599799A
Authority: JP
Inventors: 雅人中村; 清志笠原; 直行安部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001135333A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体原燃料を蒸発させた原燃料ガスを改質器で改質して燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムに好適に使用することのできる燃料蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、メタノールと水の混合液などからなる液体原燃料を、原燃料噴射装置を介して燃料蒸発器内（蒸発室内）に噴射し、液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスを得、次いで、この原燃料ガスを改質器で改質すると共に一酸化炭素を除去して水素リッチな燃料ガスにし、そして、この燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムが知られている。ところで、このような構成の燃料電池システムが負荷変動の極端に大きい条件で使用される場合、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて使用される場合、出力アップの要求に応じて液体原燃料を急激に燃料蒸発器内に噴射すると、液体原燃料のすべてを蒸発させることができず、燃料蒸発器内に液体原燃料の液溜まり（以下「液溜まり」という）を生じることがある。また、燃料電池システムを起動する際など、燃料蒸発器が充分に温まっていない場合にも蒸発に用いられる熱量が不足して液溜まりを生じやすい。
【０００３】
燃料蒸発器内に液溜まりが生じた場合、液体原燃料の噴射を停止しても内部で維持された熱により液溜まりが蒸発して、原燃料ガスを発生することになり、結果として燃料蒸発器の応答性を悪くするので好ましくない。また、液体原燃料が混合物の場合は、生じた液溜まりは、蒸発しやすい成分から先に蒸発するため、原燃料ガスの組成にバラツキが生じ、改質器が充分に性能を発揮しない場合や、一酸化炭素が充分に除去できずに燃料電池の性能が低下する場合がある。また、燃料電池内の湿度調節をうまく行うことができず、燃料電池が所定の出力を発生しない場合もある。
【０００４】
このため、液溜まりの発生を有効に防止して燃料蒸発器の応答性を良くすると共に、燃料蒸発器の暖機を速やかに行うことができるように、本願出願人による特願平１１−１２５３６６号（未公開）には、図５に示すような燃料蒸発器１００が、提案されている。この燃料蒸発器１００は、蒸発器本体１１０と、この蒸発器本体１１０の後段側に過熱部１３０、蒸発器本体１１０の上部に原燃料噴射装置１４０を備える。
この燃料蒸発器１００には、図示しない触媒燃焼器で、図示しない燃料電池で発生するオフガス（水素を含むガス）を触媒燃焼させた燃焼ガス（高温熱媒体）ＨＧが、熱源として供給される。燃焼ガスＨＧは、入口部１１２ｉｎから蒸発器本体１１０内の蒸発室１１１に多数配設されたＵ字型の熱媒チューブ１１２の内側を通り、出口部１１２ｏｕｔに達する。次いで、燃焼ガスＨＧは、蒸発室本体１１０の下部に設けられた燃焼ガス通路１１３を通って、蒸発器本体１１０の下流側に取り付けられた過熱部１３０に導かれる。メタノールと水の混合液などからなる液体原燃料ＦＬは、原燃料噴射装置１４０から霧状に噴射され、熱媒チューブ１１２で熱せられて蒸発し、原燃料ガスＦＧになる。この原燃料ガスＦＧは、過熱部１３０の蒸気チューブ１３１の内側を通って過熱され、過熱部１３０後段の図示しない改質器に導かれる。
【０００５】
この燃料蒸発器１００は、蒸発器本体１１０における蒸発室１１１の下面１１１ｂが燃焼ガス通路１１３の上面１１３ｔを兼ねるものである。従って、蒸発室１１１の下面１１１ｂからも熱が供給されるため、液溜まりの発生が防止され、また液溜まりが生じた場合も速やかに蒸発する。従って、燃料蒸発器１００の応答性が良くなる。さらに、燃料蒸発器１００の暖機も速やかに行われるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池システムが燃料電池電気自動車に搭載される場合などは、燃料蒸発器に対して、始動時や急激な負荷変動に対し、速やかに液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスを得ることが必要となる。このため、さらなる迅速な暖機と液溜まりの発生防止が望まれる。また、蒸発室内側面などに液体原燃料の飛沫が付着すると燃料蒸発器の応答性が低下する。従って、液体原燃料の飛沫の付着防止、及び付着した飛沫の迅速な蒸発が望まれる。加えて、燃料電池システムで発生した熱の有効利用が望まれる。
そこで、本発明は、燃料蒸発器における液溜まりの発生などを可及的に防止すると共に、暖機を迅速に行え、さらに、燃料電池システムの熱を有効に利用し、燃料電池電気自動車などに搭載される燃料電池システムなどにも、高いレベルで要求を満たして使用することのできる燃料蒸発器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の燃料蒸発器は、原燃料噴射装置から噴射される液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させる蒸発室と、前記液体原燃料を蒸発させた後の前記高温熱媒体が通流する高温熱媒体通路とを有する燃料蒸発器において、前記蒸発室に隣接して触媒燃焼器が設けられ、該触媒燃焼器が隣接した部位を除く前記蒸発室の表面に前記高温熱媒体通路が配設されることを特徴とするものである。
【０００８】
触媒燃焼器は、内部で触媒作用により水素などが触媒燃焼しているので、触媒燃焼器の上面を含む表面は高温になっている。一方、蒸発室は、液体原燃料を蒸発させるのに大きな熱量を必要とする。従って、本発明の構成によれば、従来利用されることのなかった触媒燃焼器の廃熱で、液体原燃料の蒸発を促進することができる。また、暖機も迅速に行うことができる。なお、触媒燃焼器は、蒸発室の任意の場所に隣接して設けることができるが、蒸発室下面に隣接して触媒燃焼器を設けると、液溜まりの生じやすい蒸発室下面が直接加熱され、液溜まりの発生の防止に大きく貢献する。さらに、この蒸発器は、触媒燃焼器が隣接した部位を除く前記蒸発室の表面（蒸発室の触媒燃焼器が隣接した部位以外の部位）に高温熱媒体通路を配設しているため、蒸発室を側面などからも加熱・保温することができる。従って、蒸発室の側面などに付着した液体原燃料の飛沫などを速やかに蒸発させることができる。また、暖機も迅速に行うことができる。ちなみに、高温熱媒体とは、触媒燃焼器での燃焼ガスそのもの、あるいはこの燃焼ガスと熱交換した流体（液体・気体）などである。
【０００９】
ここで、蒸発室が６面を有し、触媒燃焼器が、蒸発室の下面に隣接して設けられる場合は、請求項における「触媒燃焼器が隣接した部位を除く前記蒸発室の表面」とは、蒸発室の前面、後面、及び両側面、蒸発室の上面などの部位である。つまり、これらの部位のうちのいずれか一つ以上の部位に、高温熱媒体通路を配設する。蒸発室が、曲面をなす場合は、少なくともその一部を覆うように高温熱媒体通路を配設する。ここで、蒸発室内に配設された熱媒チューブに高温熱媒体を通して蒸発室内を加熱する燃料蒸発器の場合、蒸発室における高温熱媒体の出口部分が高温熱媒体通路の起端部分（起端部位）になる。なお、蒸発室に加えて、触媒燃焼器の少なくとも一部を覆うように高温熱媒体通路を配設するとさらに好ましい。触媒燃焼器の保温や高温熱媒体の無駄な温度低下を防止することができるからである。
【００１０】
ちなみに、請求項の用語「隣接」は、本実施の形態のように、蒸発室に密着して触媒燃焼器が設けられる場合を含む。蒸発室と触媒燃焼器を密着した場合には、触媒燃焼器が発する熱は、伝導伝熱により蒸発室に伝わる。一方、蒸発室と触媒燃焼器との間に隙間（空間）がある場合は、触媒燃焼器が発する熱は、輻射伝熱及び対流伝熱により蒸発室に伝わる。つまり、「隣接」とは、触媒燃焼器が発する熱を、蒸発室に、伝導・輻射・対流の少なくとも一つの伝熱手段により伝え、これにより、蒸発室における液体原燃料の蒸発を促進すること（液溜まりの発生を防止すること）である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の燃料蒸発器が使用される燃料電池システムの構成図である。図２は、本実施形態の燃料蒸発器の一部破断平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
なお、本実施形態において、高温熱媒体は触媒燃焼器２０が触媒燃焼を行うことにより生じた燃焼ガスＨＧであり、そして、高温熱媒体通路は燃焼ガス通路１３である。
【００１２】
〔燃料電池システム〕先ず、本実施の形態の燃料蒸発器１が使用される燃料電池システムＦＣＳの構成及び作用を、図１を参照して説明する。燃料電池システムＦＣＳは、燃料蒸発器１、改質器２、ＣＯ除去器３、空気圧縮機４、燃料電池５、気液分離装置６、燃焼バーナ７、そして、液体原燃料タンクＴを含んで構成される。
【００１３】
燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱部３０、液体原燃料噴射装置４０を有する。この蒸発器１は、液体原燃料タンクＴからポンプＰで圧送されたメタノール・水混合液などの液体原燃料を、原燃料噴射装置４０を介して高温に加熱された蒸発器本体１０内に噴射して、液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスにするものである。なお、液体原燃料を蒸発させる高温熱媒体は、触媒燃焼器２０から供給される燃焼ガスであり、この燃焼ガスは燃料電池５のオフガスなどを触媒燃焼器２０で触媒燃焼させることにより得られる。このようにして得られた原燃料ガスは、過熱部３０で過熱され改質器２に供給される。この燃料蒸発器１については、後に詳細に説明する。
【００１４】
改質器２は、水蒸気改質と部分酸化により燃料蒸発器１から供給される原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する。水蒸気改質及び部分酸化は、改質器２内に設けた触媒の作用により反応が促進される。なお、原燃料ガスの部分酸化を行うため、改質器２には、空気圧縮機４などから図示しない配管により空気が供給される。
【００１５】
このようにして得られた燃料ガスは、ＣＯ除去器３により、触媒の存在下一酸化炭素の選択酸化反応が行われる。これにより、燃料ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に転換されて除去される。一酸化炭素を除去するのは、燃料電池５（固体高分子型）の白金触媒が被毒されるのを防止して、燃料電池５の寿命を長くするためである。ＣＯ除去器３は、Ｎｏ．１−ＣＯ除去器３ａとＮｏ．２−ＣＯ除去器３ｂを有し、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を可及的に低減する。なお、ＣＯ除去器３において、逆シフトやメタネーションなどの好ましくない反応が起こらないように、図示しない熱交換器により燃料ガスの温度調節が行われる。
【００１６】
空気圧縮機４は、空気を圧縮して燃料電池５が必要とする酸素を供給する。また、空気圧縮機４は、前記のとおり、改質器２における部分酸化用の空気を供給する。さらに、空気圧縮機４は、Ｎｏ．２−ＣＯ除去器３ｂにも空気を供給し、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。なお、この空気圧縮機４の動力として、燃料電池５から排出されるオフガスが膨張する際のエネルギーを利用することができる。
【００１７】
燃料電池５は、前記のとおり固体高分子型である。燃料電池５の水素極には一酸化炭素が除去された燃料ガスが供給され、燃料電池５の酸素極には、空気圧縮機４からの空気が供給される。燃料電池５の内部では、白金触媒の存在下、電気化学反応により水素と酸素から水を生じると共に、電気を生じる。この電気は、電気自動車の動力源などとして使用することができる。
【００１８】
燃料電池５の水素極からは、未利用の水素を含むオフガス及び生成した水が排出されるが、これらは、気液分離装置６により気体と液体とに分離される。オフガスは、燃料電池システムＦＣＳの起動時には、燃焼バーナ７に供給されて燃やされ、触媒燃焼器２０などを暖機する。また、オフガスは、燃料電池システムＦＣＳの暖機終了後には、燃焼バーナ７で燃やされることなく燃料蒸発器１に供給され、触媒燃焼器２０で触媒燃焼され液体原燃料を蒸発させる熱源などに使用される。なお、燃料電池システムＦＣＳの起動時には、触媒燃焼器２０にはオフガスの代わりに触媒燃焼用の燃料（メタノールなど）が供給される。
以上が、本実施形態の燃料蒸発器１が使用される燃料電池システムＦＣＳの構成及び作用である。
【００１９】
〔燃料蒸発器〕次に、本発明を具現化した燃料蒸発器１の説明を行う（図２〜図４参照）。本実施形態の燃料蒸発器１は、蒸発器本体１０、触媒燃焼器２０、過熱部３０、原燃料噴射装置４０を含んで構成される。
これらの概略的な位置関係を説明すると、蒸発器本体１０は触媒燃焼器２０の上部、過熱部３０は蒸発器本体１０の一側面に、原燃料噴射装置４０は蒸発器本体１０の上部に、それぞれ取り付けられる。
【００２０】
蒸発器本体１０は、その内側にＵ字型の熱媒チューブ１２を多数備える箱型をした蒸発室１１を有する。蒸発室下面１１ｂは、図４に示すように、多数備える熱媒チューブ１２の内、最下層に位置する熱媒チューブ１２の形状（配置）に応じて断面波形に構成され、大きな液溜まりが生じないようになっている。蒸発室下面１１ｂと最下層に位置する熱媒チューブ１２の間にはわずかな隙間が設けてあり、振動などにより両者が接触しないようになっている。蒸発室１１の正面は、熱媒チューブ１２を保持する熱媒チューブ保持板１２ａにより塞がれ、燃焼ガスＨＧと原燃料ガスＦＧとが混じり合わないようになっている。熱媒チューブ１２は、その両端が開放されており、燃焼ガスＨＧは、熱媒チューブ１２の下部側の端部（熱媒チューブ入口１２ｉｎ）からこの熱媒チューブ１２の中に入り、熱媒チューブ１２の上部側の端部（熱媒チューブ出口１２ｏｕｔ）から抜け出る構造になっている。この熱媒チューブ出口１２ｏｕｔが、後に説明する燃焼ガス通路１３の起端（起端部分）になる。なお、この蒸発器本体１０は、蒸発室１１内で液体原燃料ＦＬを蒸発して原燃料ガスＦＧにするが、原燃料ガスＦＧは、通気手段１４を通って過熱部３０に導かれる。なお、通気手段１４は、小孔がたくさんあいたパンチングプレートなどから構成され、液体原燃料ＦＬの飛沫などの液滴が過熱部３０に入り込まないようにしている。ちなみに、蒸発室１１内で充分に液体原燃料ＦＬの蒸発が行われ、原燃料ガスＦＧが図１に示す改質器２に達するまでの間に凝縮しない場合には、蒸発室１１内で蒸発した原燃料ガスＦＧを、過熱器３０を通さずにそのまま改質器２に導入してもよい。
【００２１】
触媒燃焼器２０は、蒸発器本体１０と同様に箱型をしており、その内部にハニカム形状の触媒からなる触媒層２２を有し、被燃焼体である燃料電池５の水素極のオフガス、即ち、水素と酸素の混合ガスを触媒燃焼して、高温の燃焼ガスＨＧを発生させる。本実施形態の触媒燃焼器２０は、蒸発室下面１１ｂにその上面（触媒燃焼器上面２０ｔ）が密着して設けられている。このように密着することにより、触媒燃焼器２０から発生する熱を蒸発室下面１１ｂに伝導伝熱により伝えることができる。ところで、蒸発室下面１１ｂは、液溜まりが生じる場所であるので、蒸発室下面１１ｂが加熱されることにより、液溜まりの発生防止及び発生した液溜まりの速やかな蒸発を図ることができる。また、触媒燃焼器２０の廃熱の有効利用が図られる。なお、触媒燃焼器上面２０ｔが蒸発室下面１１ｂを兼ねるものであってもよい。
【００２２】
この触媒燃焼器２０には、燃焼ガスＨＧを触媒燃焼器出口２３から熱媒チューブ入口１２ｉｎに導く断面半円状の隔壁板２４が取り付けられている。この隔壁２４により、触媒燃焼器出口２３（及び熱媒チューブ入口１２ｉｎ）と熱媒チューブ出口１２ｏｕｔの燃焼ガスＨＧが混合しないようになっている。
この触媒燃焼器２０や触媒層２２（ハニカム材料）の材質としては、高温に耐え、耐蝕性もあるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）などが適している。
【００２３】
過熱部３０は、蒸発室１１の出口の下流側に、蒸発器本体１０の一側面から突出して取り付けられる。この過熱部３０はシェル＆チューブ式の熱交換器であり、管側（蒸気チューブ３１側）に原燃料ガスＦＧを通し、胴側（過熱室３２側）に燃焼ガスＨＧを通し、凝縮性の原燃料ガスＦＧを燃焼ガスＨＧで過熱して乾き蒸気にし、原燃料ガスＦＧの凝縮を防止する。
【００２４】
原燃料噴射装置４０は、１流体ノズルの噴射装置であり、液体原燃料ＦＬを蒸発室１１内に噴射するものである。この原燃料噴射装置４０は、蒸発室上面１１ｔに取り付けられているが、高温の燃焼ガスＨＧの保有熱量を有効に利用するため、液体原燃料ＦＬは、蒸発室１１内に多数備える熱媒チューブ１２に沿う方向（熱媒チューブ１２の保持板１２ａに向かう方向）を主として噴射される。
【００２５】
燃料蒸発器１は、燃焼ガス通路１３を有するが、本実施形態の燃料蒸発器１は、燃料蒸発器正面１ｆの全面、燃料蒸発器一側面１ｓの全面、及び燃料蒸発器後面１ｒ（蒸発器室後面１１ｒ部分）に、熱媒チューブ出口１２ｏｕｔを起端（起端部分）として、過熱部３０の過熱室３２に至る燃焼ガス通路１３が配設されている。つまり、図２〜図４に示すように、触媒燃焼器２０が隣接した部位を除く蒸発器（蒸発室１１）の表面に、高温熱媒体通路（燃焼ガス通路１３）が配設されている。なお、本実施形態の燃焼ガス通路１３は、蒸発室一側面１１ｓ及び蒸発室後面１１ｒばかりでなく、触媒燃焼器２０の隔壁板２４及び触媒燃焼器一側面２０ｓも併せて覆う構造を有する。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る燃料蒸発器１の動作及び作用について説明する。
（１）蒸発室下面の加熱；触媒燃焼器２０は、燃料電池５のオフガスＯＧが供給され、触媒燃焼により燃焼して燃焼ガスＨＧを生成する。触媒燃焼により、触媒燃焼器２０の温度が上昇し、触媒燃焼器２０の外表面が高温（約３００℃）になる。ここで、燃料蒸発器１は、蒸発室下面１１ｂと触媒燃焼器上面２０ｔが密接している。従って、蒸発室下面１１ｂ（蒸発室１１の床面）は、触媒燃焼器２０により加熱され高温になる。このように、触媒燃焼器２０が発する熱を有効に利用することで、液溜まりの発生を防止し、また発生した液溜まりを迅速に蒸発させる。
【００２７】
（２）燃焼ガスの流れ；触媒燃焼器２０によりオフガスＯＧを触媒燃焼させて生成した６５０〜７００℃の高温の燃焼ガスＨＧは（▲１▼）、先ず、熱媒チューブ入口１２ｉｎ（▲２▼）から熱媒チューブ１２に入り（▲３▼）、蒸発室１１を加熱して、熱媒チューブ出口１２ｏｕｔから抜け出る。この間、燃焼ガスＨＧは、原燃料噴射装置４０から噴射された液体原燃料ＦＬを蒸発させる。なお、熱媒チューブ出口１２ｏｕｔにおける燃焼ガスの温度は、約３５０℃である。
続いて、燃焼ガスＨＧは、燃焼ガス通路１３に入り、燃料蒸発器正面１ｆ（▲４▼）から、燃料蒸発器一側面１ｓ（▲５▼）及び燃料蒸発器後面１ｒ（▲６▼）を経由して過熱部３０に至る（▲７▼）。この間、燃焼ガスＨＧは、蒸発室一側面１１ｓ及び蒸発室後面１１ｒを加熱・保温すると共に、触媒燃焼器２０の隔壁板２４及び触媒燃焼器一側面２０ｓの加熱・保温も行う。これにより、蒸発室１１における液体原燃料ＦＬの蒸発が促進される。また、触媒燃焼器出口２３から熱媒チューブ入口１２ｉｎに向かう燃焼ガスＨＧの温度低下が防止される。さらに、暖機も迅速に行われる。なお、過熱部３０の入口における燃焼ガスの温度は、約３００℃である。
そして、燃焼ガスＨＧは、過熱部３０（過熱室３２）を通過した後に排気ダクト３３から排出される。この間、燃焼ガスＨＧは、原燃料ガスＦＧの過熱を行い凝縮を防止する。
ここで、文中の▲１▼〜▲７▼の記号は、図２〜図４に付した▲１▼〜▲７▼の記号に対応するものであり、燃焼ガス通路１３における燃焼ガスＨＧの流れを示す。
【００２８】
（３）原燃料ガスの流れ；液体原燃料タンクＴに貯蔵された液体原燃料ＦＬは、ポンプで圧送され、原燃料噴射装置４０から蒸発室１１内に噴射される。
噴射された液体原燃料ＦＬは、大部分が蒸発室１１内に多数配設された熱媒チューブ１２の表面で直ちに蒸発し原燃料ガスＦＧになる。ところで、急激に液体原燃料ＦＬが噴射されるなどした場合は、蒸発しきれない液体原燃料ＦＬは、蒸発室１１の下方に滴下するが、滴下する際に、すでに蒸発した原燃料ガスＦＧと熱交換して温度が上昇する（一部は蒸発する）。また、未蒸発の液体原燃料ＦＬが下方に位置する熱媒チューブ１２の上に滴下すると、熱媒チューブ１２の表面で加熱されて蒸発する。なお、最後まで蒸発しきれない液体原燃料ＦＬは、蒸発室下面１１ｂまで達するが、蒸発室下面１１ｂは、触媒燃焼器２０により加熱され高温になっているので、液溜まりを生じることなく蒸発する。仮に、液溜まりを生じたとしても、触媒燃焼器２０が触媒燃焼している限りは、蒸発室下面１１ｂは加熱されつづけるため、液溜まりは迅速に蒸発して液体原燃料ガスＦＧになり消滅する。
【００２９】
さらに、蒸発器本体１０（蒸発室１１）は、殊に蒸発室一側面１１ｓ及び蒸発室後面１１ｒが、燃焼ガス通路１３により加熱・保温されるため、一層液体原燃料ＦＬの蒸発が促進され、液溜まりが生じ難くなっている。
つまり、従来のこのような燃料蒸発器においては、蒸発室の各面は、蒸発した原燃料ガスにより暖められるか、熱源である熱媒チューブ及び熱媒チューブ保持板から伝導伝熱などにより暖められるのみであった。従って、液体原燃料が蒸発室の側面などに付着しても蒸発しにくく、また、一旦蒸発した原燃料ガスも蒸発室内で凝縮しやすいものであった（即ち液溜まりを生じやすかった）。
この点、本実施の形態の燃料蒸発器１は、蒸発室１１の複数の面が燃焼ガスＨＧ及び触媒燃焼器２０により加熱・保温される構成であるので、液溜まりの発生を可及的に防止することができる（即ち燃料蒸発器の応答性がよい）。殊に、燃料電池システムＦＣＳの始動時に、蒸発室１１に配設した燃焼ガス通路１３により蒸発室１１が迅速に暖められるので暖機を迅速に行える。つまり、一旦蒸発した原燃料ガスＦＧが、蒸発室１１の各面（壁面）で冷やされて凝縮するという問題が大幅に低減する。
【００３０】
なお、蒸発室１１で蒸発した原燃料ガスＦＧは、小孔が多数あいたパンチングプレートなどの通気手段１４を通って過熱部３０に入り、蒸気チューブ３１を通って過熱され、図１に示す改質器２に導かれる。
【００３１】
このように本実施の形態の燃料蒸発器によれば、触媒燃焼器の本体が発生する熱（従来廃熱とされていたもの）及び高温熱媒体たる燃焼ガスの有する熱を有効に利用して、液溜まりの発生などを可及的に低減することができる。また、暖機も速やかに行うことができる。従って、応答性に優れ、負荷変動が極端に大きい条件で使用される燃料電池システムの液体原燃料を蒸発させる燃料蒸発器として好適に使用することができる。
【００３２】
以上説明した本発明は、上記発明の実施の形態にかかわらず広く変形実施することができる。
例えば、高温熱媒体通路たる燃焼ガス通路を蒸発室上面に配設してもよい。このようにすることで、蒸発室上面からの熱逃げを防止することができる。また、触媒燃焼器の部分を除いて、蒸発室の部分のみに燃料ガス通路を配設する構成としてもよい。これによれば、加熱・保温などの効果のほか、燃料蒸発器の外形をコンパクトに設計することができるという利点がある。
なお、触媒燃焼器は、燃焼バーナや電熱ヒータなどに置きかえることもできる。また、高温熱媒体は、燃焼ガスや燃焼ガスを空気や液体などと熱交換したもの、電熱ヒータにより加熱された空気や液体などでもよい。また、燃料電池は、固体高分子型に限らず、燐酸型の燃料電池（ＰＡＦＣ）などであってもよい。また、蒸発室の形状にかかわらず本発明を実施することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒燃焼器が発生する熱を、隣接して設けてある蒸発室に、伝導や輻射などの伝熱により伝えるため、蒸発室における液体原燃料の蒸発が促進される。従って、蒸発器における液溜まりの発生防止、及び発生した液溜まりの速やかな蒸発を行うことができる。また、高温熱媒体により蒸発室が加熱・保温されるため、蒸発器側面などにおける液体原燃料の飛沫の付着防止、及び付着した飛沫の速やかな蒸発を行うことができる。さらに、蒸発室が、保温されるので、急激な液体原燃料の噴射にも対処することができる。従って、燃料蒸発器として極めて応答性がよくなる。また、暖機も迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器が使用される燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料蒸発器の一部破断平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】従来例における燃料蒸発器の断面図である。
【符号の説明】
ＦＬ液体原燃料
ＦＧ原燃料ガス
ＨＧ燃焼ガス（高温熱媒体）
１燃料蒸発器
１１蒸発室
１１ｂ蒸発室下面（蒸発室の下面）
１３燃焼ガス通路（高温熱媒体通路）
２０触媒燃焼器
２０ｔ触媒燃焼器上面（触媒燃焼器の上面）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel evaporator that can be suitably used for a fuel cell system that reforms a raw fuel gas obtained by evaporating a liquid raw fuel with a reformer and supplies the reformed fuel gas to a fuel cell to generate power.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a liquid raw fuel composed of a mixed liquid of methanol and water or the like is injected into a fuel evaporator (evaporation chamber) via a raw fuel injection device to evaporate the liquid raw fuel to obtain a raw fuel gas. A fuel cell system is known which reforms the raw fuel gas in a reformer and removes carbon monoxide to produce a hydrogen-rich fuel gas, and supplies the fuel gas to a fuel cell to generate power. I have. By the way, when the fuel cell system having such a configuration is used under extremely large load fluctuation conditions, for example, when it is mounted on a fuel cell electric vehicle and used, the liquid raw fuel is If the fuel is rapidly injected into the fuel evaporator, all of the liquid raw fuel cannot be evaporated, and a liquid pool of the liquid raw fuel (hereinafter referred to as “liquid pool”) may be generated in the fuel evaporator. In addition, even when the fuel evaporator is not sufficiently heated, such as when the fuel cell system is started, the amount of heat used for evaporation is insufficient, and liquid accumulation is likely to occur.
[0003]
If a liquid pool is formed in the fuel evaporator, even if the injection of the liquid raw fuel is stopped, the liquid pool evaporates due to the heat maintained inside, and a raw fuel gas is generated. This is not preferable because it deteriorates the response of the vessel. In addition, when the liquid raw fuel is a mixture, the generated liquid pool evaporates first from the easily vaporized components, so that the composition of the raw fuel gas varies, and when the reformer does not exhibit sufficient performance, In some cases, carbon monoxide cannot be sufficiently removed, and the performance of the fuel cell deteriorates. Further, the humidity inside the fuel cell may not be properly adjusted, and the fuel cell may not generate a predetermined output.
[0004]
For this reason, in order to effectively prevent the occurrence of liquid pool and improve the responsiveness of the fuel evaporator, and to promptly warm up the fuel evaporator, Japanese Patent Application No. 11-125366 filed by the present applicant. No. (not disclosed) proposes a fuel evaporator 100 as shown in FIG. The fuel evaporator 100 includes an evaporator main body 110, a superheater 130 at a stage subsequent to the evaporator main body 110, and a raw fuel injection device 140 above the evaporator main body 110.
To the fuel evaporator 100, a combustion gas (high-temperature heat medium) HG in which an off-gas (a gas containing hydrogen) generated in a fuel cell (not shown) is catalytically burned by a catalyst combustor (not shown) is supplied as a heat source. The combustion gas HG reaches the outlet portion 112out from the inlet portion 112in through the inside of the U-shaped heat transfer tubes 112 provided in the evaporation chamber 111 in the evaporator main body 110. Next, the combustion gas HG is guided through a combustion gas passage 113 provided at a lower portion of the evaporator chamber main body 110 to a superheater 130 mounted on the downstream side of the evaporator main body 110. The liquid raw fuel FL composed of a mixture of methanol and water is injected in a mist form from the raw fuel injection device 140, heated by the heating medium tube 112 and evaporated to become a raw fuel gas FG. The raw fuel gas FG is superheated through the inside of the steam tube 131 of the superheater 130 and is led to a reformer (not shown) downstream of the superheater 130.
[0005]
In the fuel evaporator 100, the lower surface 111 b of the evaporation chamber 111 in the evaporator main body 110 also serves as the upper surface 113 t of the combustion gas passage 113. Therefore, since heat is also supplied from the lower surface 111b of the evaporation chamber 111, the occurrence of a liquid pool is prevented, and when the liquid pool occurs, the liquid is quickly evaporated. Therefore, the responsiveness of the fuel evaporator 100 is improved. Further, the fuel evaporator 100 is quickly warmed up.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the fuel cell system is installed in a fuel cell electric vehicle, the fuel evaporator is required to evaporate the liquid raw fuel quickly to obtain the raw fuel gas at the time of startup or sudden load fluctuation. Is required. For this reason, further quick warm-up and prevention of generation of a liquid pool are desired. In addition, when liquid raw fuel droplets adhere to the side surface of the evaporation chamber, the response of the fuel evaporator is reduced. Therefore, it is desired to prevent the liquid raw fuel from adhering the droplets and to quickly evaporate the adhered droplets. In addition, effective use of heat generated in the fuel cell system is desired.
Therefore, the present invention prevents the occurrence of liquid pools in the fuel evaporator as much as possible, quickly warms up the fuel, further effectively utilizes the heat of the fuel cell system, and applies it to fuel cell electric vehicles and the like. It is an object of the present invention to provide a fuel evaporator which can be used at a high level while satisfying demands for a mounted fuel cell system and the like.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The fuel evaporator of the present invention that has solved the above-mentioned problems has an evaporation chamber for evaporating a liquid raw fuel injected from a raw fuel injection device with a high-temperature heat medium, and the high-temperature heat medium after evaporating the liquid raw fuel. A high-temperature heat medium passage having a high-temperature heat medium passage, wherein a catalyst combustor is provided adjacent to the evaporation chamber, and the high-temperature heat medium passage is provided on a surface of the evaporation chamber except for a portion adjacent to the catalyst combustor. Is provided.
[0008]
Since the inside of the catalytic combustor performs catalytic combustion of hydrogen and the like by catalytic action, the surface including the upper surface of the catalytic combustor has a high temperature. On the other hand, the evaporation chamber needs a large amount of heat to evaporate the liquid raw fuel. Therefore, according to the configuration of the present invention, the evaporation of the liquid raw fuel can be promoted by the waste heat of the catalytic combustor which has not been used conventionally. In addition, warm-up can be performed quickly. Note that the catalytic combustor can be provided adjacent to an arbitrary place in the evaporation chamber.However, if a catalyst combustor is provided adjacent to the lower surface of the evaporation chamber, the lower surface of the evaporation chamber where liquid pools are likely to be generated is directly heated, It greatly contributes to the prevention of liquid accumulation. Further, in this evaporator, since the high-temperature heat medium passage is provided on the surface of the evaporation chamber except for the part where the catalytic combustor is adjacent ( part other than the part where the catalytic combustor of the evaporating chamber is adjacent ) , the evaporator The room can be heated and kept warm from the side. Therefore, it is possible to quickly evaporate the droplets of the liquid raw fuel adhered to the side surface of the evaporation chamber. In addition, warm-up can be performed quickly. Incidentally, the high-temperature heat medium is the combustion gas itself in the catalytic combustor, or a fluid (liquid or gas) that has exchanged heat with the combustion gas.
[0009]
Here, in the case where the evaporating chamber has six surfaces and the catalytic combustor is provided adjacent to the lower surface of the evaporating chamber, it is referred to in the claims as “ the surface of the evaporating chamber excluding the part where the catalytic combustor is adjacent ”. Are portions such as a front surface, a rear surface, and both side surfaces of the evaporation chamber, and an upper surface of the evaporation chamber. That is, a high-temperature heat medium passage is provided in any one or more of these portions. When the evaporation chamber has a curved surface, a high-temperature heat medium passage is provided so as to cover at least a part thereof. Here, in the case of a fuel evaporator in which a high-temperature heat medium is passed through a heat medium tube disposed in the evaporator chamber to heat the evaporator chamber, the outlet of the high-temperature heat medium in the evaporator chamber is located at the start end (start end) of the high-temperature heat medium passage. Part). It is more preferable to provide a high-temperature heat medium passage so as to cover at least a part of the catalytic combustor in addition to the evaporation chamber. This is because it is possible to keep the temperature of the catalytic combustor and prevent unnecessary temperature reduction of the high-temperature heat medium.
[0010]
Incidentally, the term “adjacent” in the claims includes a case where a catalytic combustor is provided in close contact with the evaporation chamber as in the present embodiment. When the evaporating chamber and the catalytic combustor are in close contact, the heat generated by the catalytic combustor is transmitted to the evaporating chamber by conduction heat transfer. On the other hand, when there is a gap (space) between the evaporation chamber and the catalytic combustor, the heat generated by the catalytic combustor is transmitted to the evaporation chamber by radiant heat transfer and convective heat transfer. In other words, "adjacent" means that the heat generated by the catalytic combustor is transmitted to the evaporation chamber by at least one of conduction, radiation and convection heat transfer means, thereby promoting the evaporation of the liquid raw fuel in the evaporation chamber. (To prevent the occurrence of liquid pools).
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel evaporator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system in which the fuel evaporator of the present embodiment is used. FIG. 2 is a partially cutaway plan view of the fuel evaporator of the present embodiment. FIG. 3 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG.
In the present embodiment, the high-temperature heat medium is the combustion gas HG generated by the catalytic combustor 20 performing the catalytic combustion, and the high-temperature heat medium passage is the combustion gas passage 13.
[0012]
[Fuel Cell System] First, the configuration and operation of a fuel cell system FCS in which the fuel evaporator 1 of the present embodiment is used will be described with reference to FIG. The fuel cell system FCS includes a fuel evaporator 1, a reformer 2, a CO remover 3, an air compressor 4, a fuel cell 5, a gas-liquid separator 6, a combustion burner 7, and a liquid raw fuel tank T. Be composed.
[0013]
The fuel evaporator 1 includes an evaporator main body 10, a catalytic combustor 20, a superheater 30, and a liquid raw fuel injection device 40. The evaporator 1 injects a liquid raw fuel such as a mixture of methanol and water pumped from a liquid raw fuel tank T by a pump P into a heated high-temperature evaporator body 10 via a raw fuel injection device 40. Then, the liquid raw fuel is evaporated into raw fuel gas. The high-temperature heat medium for evaporating the liquid raw fuel is a combustion gas supplied from the catalytic combustor 20, and the combustion gas is obtained by catalytically burning off-gas of the fuel cell 5 in the catalytic combustor 20. The raw fuel gas obtained in this way is superheated in the superheater 30 and supplied to the reformer 2. The fuel evaporator 1 will be described later in detail.
[0014]
The reformer 2 reforms the raw fuel gas supplied from the fuel evaporator 1 into a hydrogen-rich fuel gas by steam reforming and partial oxidation. The reaction of steam reforming and partial oxidation is promoted by the action of a catalyst provided in the reformer 2. In order to partially oxidize the raw fuel gas, air is supplied to the reformer 2 from an air compressor 4 or the like through a pipe (not shown).
[0015]
The fuel gas thus obtained is subjected to a selective oxidation reaction of carbon monoxide by the CO remover 3 in the presence of a catalyst. Thereby, carbon monoxide in the fuel gas is converted into carbon dioxide and removed. The purpose of removing carbon monoxide is to prevent the platinum catalyst of the fuel cell 5 (solid polymer type) from being poisoned and to prolong the life of the fuel cell 5. The CO remover 3 is a No. No. 1-CO remover 3a and No. It has a 2-CO remover 3b to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas as much as possible. In the CO remover 3, the temperature of the fuel gas is adjusted by a heat exchanger (not shown) so that undesired reactions such as reverse shift and methanation do not occur.
[0016]
The air compressor 4 compresses air and supplies oxygen required by the fuel cell 5. Further, the air compressor 4 supplies the air for partial oxidation in the reformer 2 as described above. Further, the air compressor 4 has the No. Air is also supplied to the 2-CO remover 3b to convert carbon monoxide in the fuel gas into carbon dioxide. In addition, as the power of the air compressor 4, the energy at the time when the off-gas discharged from the fuel cell 5 expands can be used.
[0017]
The fuel cell 5 is a solid polymer type as described above. Fuel gas from which carbon monoxide has been removed is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 5, and air from the air compressor 4 is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 5. Inside the fuel cell 5, in the presence of a platinum catalyst, water is generated from hydrogen and oxygen by an electrochemical reaction, and at the same time, electricity is generated. This electricity can be used as a power source of an electric vehicle or the like.
[0018]
An off-gas containing unused hydrogen and generated water are discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell 5, and these are separated into a gas and a liquid by the gas-liquid separator 6. When the fuel cell system FCS is started, the off-gas is supplied to the combustion burner 7 and burned, and warms up the catalytic combustor 20 and the like. After the warm-up of the fuel cell system FCS is completed, the off-gas is supplied to the fuel evaporator 1 without being burned by the combustion burner 7, and is used as a heat source for evaporating the liquid fuel by being catalyzed by the catalytic combustor 20. Is done. At the time of starting the fuel cell system FCS, the catalyst combustor 20 is supplied with fuel (such as methanol) for catalytic combustion instead of off-gas.
The above is the configuration and operation of the fuel cell system FCS in which the fuel evaporator 1 of the present embodiment is used.
[0019]
[Fuel Evaporator] Next, the fuel evaporator 1 embodying the present invention will be described (see FIGS. 2 to 4). The fuel evaporator 1 of the present embodiment includes an evaporator main body 10, a catalyst combustor 20, a superheater 30, and a raw fuel injection device 40.
Explaining these schematic positional relationships, the evaporator body 10 is located above the catalytic combustor 20, the superheater 30 is located on one side of the evaporator body 10, the raw fuel injection device 40 is located above the evaporator body 10, Each can be attached.
[0020]
The evaporator main body 10 has a box-shaped evaporation chamber 11 provided with a number of U-shaped heat medium tubes 12 inside thereof. As shown in FIG. 4, the lower surface 11 b of the evaporation chamber is formed into a cross-sectional waveform according to the shape (arrangement) of the heat medium tube 12 located at the lowermost layer among the many heat medium tubes 12 provided, and a large pool is generated. Not to be. A slight gap is provided between the lower surface 11b of the evaporation chamber and the heat medium tube 12 located at the lowermost layer so that they do not come into contact with each other due to vibration or the like. The front surface of the evaporation chamber 11 is closed by a heat medium tube holding plate 12a that holds the heat medium tubes 12, so that the combustion gas HG and the raw fuel gas FG are not mixed. Both ends of the heat medium tube 12 are open, and the combustion gas HG enters the heat medium tube 12 from the lower end (heat medium tube inlet 12 in) of the heat medium tube 12, and the heat medium tube 12 12 has a structure to escape from the upper end (heat medium tube outlet 12out). The heat medium tube outlet 12out serves as a starting end (starting end) of the combustion gas passage 13 described later. The evaporator body 10 evaporates the liquid raw fuel FL into the raw fuel gas FG in the evaporation chamber 11, and the raw fuel gas FG is guided to the superheater 30 through the ventilation means 14. The ventilation means 14 is constituted by a punching plate or the like having a large number of small holes, so that droplets such as splashes of the liquid raw fuel FL do not enter the superheated section 30. Incidentally, when the liquid raw fuel FL is sufficiently evaporated in the evaporation chamber 11 and the raw fuel gas FG is not condensed before reaching the reformer 2 shown in FIG. The raw fuel gas FG thus obtained may be directly introduced into the reformer 2 without passing through the superheater 30.
[0021]
The catalytic combustor 20 has a box shape similarly to the evaporator main body 10, has a catalyst layer 22 made of a honeycomb-shaped catalyst therein, and has an off-gas of a hydrogen electrode of the fuel cell 5, which is a burnable body. That is, catalytic combustion of a mixed gas of hydrogen and oxygen generates a high-temperature combustion gas HG. The catalytic combustor 20 of the present embodiment has an upper surface (catalyst combustor upper surface 20t) closely attached to the lower surface 11b of the evaporation chamber. By such close contact, heat generated from the catalytic combustor 20 can be transmitted to the lower surface 11b of the evaporation chamber by conduction heat transfer. By the way, since the lower surface 11b of the evaporation chamber is a place where a liquid pool is generated, by heating the lower surface 11b of the evaporation chamber, it is possible to prevent the generation of the liquid pool and to quickly evaporate the generated liquid pool. Further, effective use of waste heat of the catalytic combustor 20 is achieved. The catalytic combustor upper surface 20t may also serve as the evaporation chamber lower surface 11b.
[0022]
The catalytic combustor 20 is provided with a partition plate 24 having a semicircular cross section for guiding the combustion gas HG from the catalytic combustor outlet 23 to the heat medium tube inlet 12in. The partition wall 24 prevents the combustion gas HG at the catalyst combustor outlet 23 (and the heat medium tube inlet 12in) and the heat medium tube outlet 12out from mixing.
As the material of the catalytic combustor 20 and the catalytic layer 22 (honeycomb material), stainless steel (for example, SUS316) that withstands high temperatures and has corrosion resistance is suitable.
[0023]
The superheater 30 is attached to the downstream side of the outlet of the evaporation chamber 11 so as to protrude from one side of the evaporator body 10. The superheater 30 is a shell-and-tube type heat exchanger. The raw fuel gas FG passes through the tube side (steam tube 31 side), and the combustion gas HG passes through the body side (superheat chamber 32 side). The raw fuel gas FG is superheated with the combustion gas HG to dry steam, thereby preventing the raw fuel gas FG from being condensed.
[0024]
The raw fuel injection device 40 is a one-fluid nozzle injection device, and injects the raw liquid fuel FL into the evaporation chamber 11. Although the raw fuel injection device 40 is attached to the upper surface 11t of the evaporation chamber, the liquid fuel FL is provided with a large number of heat medium tubes provided in the evaporation chamber 11 in order to effectively use the retained heat of the high-temperature combustion gas HG. The injection is mainly performed in the direction along the direction 12 (the direction toward the holding plate 12a of the heat medium tube 12).
[0025]
Although the fuel evaporator 1 has a combustion gas passage 13, the fuel evaporator 1 of the present embodiment has an entire front surface 1f of the fuel evaporator, an entire surface of one side 1s of the fuel evaporator, and a rear surface 1r of the fuel evaporator (evaporator). A combustion gas passage 13 that extends from the heat medium tube outlet 12out to the superheated chamber 32 of the superheater 30 is provided on the rear surface 11r of the chamber, with the heat medium tube outlet 12out as the starting end ( starting end) . That is, as shown in FIGS. 2 to 4, a high-temperature heat medium passage (combustion gas passage 13) is provided on the surface of the evaporator (evaporation chamber 11) except for a portion adjacent to the catalytic combustor 20. The combustion gas passage 13 of this embodiment has a structure that covers not only the one side surface 11s of the evaporation chamber and the rear surface 11r of the evaporation chamber, but also the partition plate 24 of the catalyst combustor 20 and the one side surface 20s of the catalyst combustor.
[0026]
Next, the operation and action of the fuel evaporator 1 according to the present embodiment will be described.
(1) Heating the lower surface of the evaporation chamber; The catalyst combustor 20 is supplied with the off-gas OG of the fuel cell 5 and burns by catalytic combustion to generate a combustion gas HG. Due to the catalytic combustion, the temperature of the catalytic combustor 20 increases, and the outer surface of the catalytic combustor 20 becomes high temperature (about 300 ° C.). Here, in the fuel evaporator 1, the lower surface 11b of the evaporation chamber and the upper surface 20t of the catalytic combustor are in close contact. Therefore, the lower surface 11b of the evaporating chamber (the floor of the evaporating chamber 11) is heated by the catalytic combustor 20 to a high temperature. As described above, by effectively utilizing the heat generated by the catalytic combustor 20, the occurrence of a liquid pool is prevented, and the generated liquid pool is quickly evaporated.
[0027]
(2) Flow of combustion gas; The high-temperature combustion gas HG of 650 to 700 ° C. generated by catalytically burning off-gas OG by the catalytic combustor 20 (1) first enters the heat medium tube inlet 12 in (2). ) Enters the heat medium tube 12 ((3)), heats the evaporation chamber 11 and exits through the heat medium tube outlet 12out. During this time, the combustion gas HG evaporates the liquid raw fuel FL injected from the raw fuel injection device 40. Note that the temperature of the combustion gas at the heat medium tube outlet 12out is about 350 ° C.
Subsequently, the combustion gas HG enters the combustion gas passage 13 and passes through the fuel evaporator front face 1f (4) and the fuel evaporator one side face 1s (5) and the fuel evaporator rear face 1r (6). Then, it reaches the superheater 30 via (7). During this time, the combustion gas HG not only heats and keeps the one side surface 11s of the evaporation chamber and the rear surface 11r of the evaporation chamber, but also heats and keeps the partition plate 24 of the catalyst combustor 20 and the one side surface 20s of the catalyst combustor. Thereby, evaporation of the liquid raw fuel FL in the evaporation chamber 11 is promoted. Further, the temperature of the combustion gas HG from the catalyst combustor outlet 23 toward the heat medium tube inlet 12in is prevented from lowering. In addition, warm-up is performed quickly. The temperature of the combustion gas at the inlet of the superheater 30 is about 300 ° C.
Then, the combustion gas HG is discharged from the exhaust duct 33 after passing through the superheating section 30 (superheating chamber 32). During this time, the combustion gas HG overheats the raw fuel gas FG to prevent condensation.
Here, the symbols (1) to (7) in the text correspond to the symbols (1) to (7) shown in FIGS. 2 to 4, and the flow of the combustion gas HG in the combustion gas passage 13. Is shown.
[0028]
(3) Flow of Raw Fuel Gas The raw liquid fuel FL stored in the raw liquid fuel tank T is pumped by a pump and injected from the raw fuel injection device 40 into the evaporation chamber 11.
Most of the injected liquid raw fuel FL evaporates immediately on the surface of the heat transfer tubes 12 provided in a large number in the evaporation chamber 11 to become raw fuel gas FG. By the way, when the liquid fuel FL is suddenly injected, the liquid fuel FL that cannot be completely evaporated drops below the evaporating chamber 11, but when the liquid fuel FL is dropped, the raw fuel gas FG that has already evaporated is mixed. The temperature rises due to heat exchange (part evaporates). When the unevaporated liquid fuel FL drops on the heat medium tube 12 located below, the liquid fuel FL is heated on the surface of the heat medium tube 12 and evaporated. The liquid raw fuel FL that cannot be evaporated to the end reaches the evaporation chamber lower surface 11b, but the evaporation chamber lower surface 11b is heated by the catalytic combustor 20 and has a high temperature, and thus evaporates without liquid accumulation. . Even if a liquid pool is generated, as long as the catalytic combustor 20 performs catalytic combustion, the lower surface 11b of the evaporation chamber continues to be heated, so that the liquid pool quickly evaporates and becomes the liquid raw fuel gas FG and disappears. .
[0029]
Further, in the evaporator main body 10 (evaporation chamber 11), particularly, the one side surface 11s of the evaporation chamber and the rear surface 11r of the evaporation chamber are heated and kept warm by the combustion gas passage 13, so that the evaporation of the liquid raw fuel FL is further promoted. Liquid pool is less likely to occur.
That is, in such a conventional fuel evaporator, each surface of the evaporation chamber is warmed by the evaporated raw fuel gas, or is heated from the heat medium tube and the heat medium tube holding plate as the heat source by conduction heat transfer or the like. Was only. Therefore, even if the liquid raw fuel adheres to the side surface of the evaporation chamber or the like, it is difficult to evaporate, and the raw fuel gas once evaporated is easily condensed in the evaporation chamber (that is, liquid pool is easily generated).
In this regard, since the fuel evaporator 1 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of surfaces of the evaporation chamber 11 are heated and kept warm by the combustion gas HG and the catalytic combustor 20, the generation of a liquid pool is minimized. It can be prevented (that is, the responsiveness of the fuel evaporator is good). In particular, when the fuel cell system FCS is started, the combustion chamber 11 is quickly heated by the combustion gas passage 13 disposed in the evaporation chamber 11, so that the warm-up can be performed quickly. That is, the problem that the raw fuel gas FG once evaporated is cooled and condensed on each surface (wall surface) of the evaporation chamber 11 is greatly reduced.
[0030]
The raw fuel gas FG evaporated in the evaporating chamber 11 enters the superheater 30 through the ventilation means 14 such as a punching plate having many small holes, is superheated through the steam tube 31, and is reformed as shown in FIG. It is led to the vessel 2.
[0031]
As described above, according to the fuel evaporator of the present embodiment, the heat generated by the main body of the catalytic combustor (conventionally waste heat) and the heat of the combustion gas as the high-temperature heat medium are effectively used. In addition, the occurrence of liquid pool can be reduced as much as possible. In addition, warm-up can be performed promptly. Therefore, the fuel cell system can be suitably used as a fuel evaporator for evaporating the liquid raw fuel of a fuel cell system which is excellent in responsiveness and used under extremely large load fluctuations.
[0032]
The present invention described above can be widely modified and implemented irrespective of the embodiment of the present invention.
For example, a combustion gas passage as a high-temperature heat medium passage may be provided on the upper surface of the evaporation chamber. By doing so, it is possible to prevent heat from escaping from the upper surface of the evaporation chamber. Further, the fuel gas passage may be provided only in the evaporating chamber except for the catalytic combustor. According to this, there is an advantage that the outer shape of the fuel evaporator can be designed to be compact in addition to effects such as heating and heat retention.
The catalytic combustor can be replaced with a combustion burner, an electric heater, or the like. Further, the high-temperature heat medium may be a combustion gas, a heat gas obtained by exchanging the combustion gas with air or liquid, or an air or liquid heated by an electric heater. Further, the fuel cell is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, but may be a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or the like. Further, the present invention can be carried out regardless of the shape of the evaporation chamber.
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the heat generated by the catalytic combustor is transmitted to the adjacent evaporation chamber by heat transfer such as conduction or radiation, evaporation of the liquid raw fuel in the evaporation chamber is promoted. Therefore, it is possible to prevent the liquid pool from being generated in the evaporator and to quickly evaporate the generated liquid pool. Further, since the evaporating chamber is heated and kept warm by the high-temperature heat medium, it is possible to prevent the liquid raw fuel from adhering to the side surfaces of the evaporator and to quickly evaporate the adhering droplets. Further, since the evaporation chamber is kept warm, it is possible to cope with a sudden injection of the liquid raw fuel. Therefore, the responsiveness is extremely improved as a fuel evaporator. In addition, warm-up can be performed quickly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system using a fuel evaporator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially broken plan view of the fuel evaporator according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 2;
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional fuel evaporator.
[Explanation of symbols]
FL Liquid raw fuel FG Raw fuel gas HG Combustion gas (high-temperature heat carrier)
1 fuel evaporator 11 evaporation chamber 11b lower surface of evaporation chamber (lower surface of evaporation chamber)
13 Combustion gas passage (high-temperature heat medium passage)
20 Catalyst combustor 20t Catalyst combustor upper surface (upper surface of catalyst combustor)

Claims

原燃料噴射装置から噴射される液体原燃料を高温熱媒体により蒸発させる蒸発室と、前記液体原燃料を蒸発させた後の前記高温熱媒体が通流する高温熱媒体通路とを有する燃料蒸発器において、
前記蒸発室に隣接して触媒燃焼器が設けられ、該触媒燃焼器が隣接した部位を除く前記蒸発室の表面に前記高温熱媒体通路が配設されること、
を特徴とする燃料蒸発器。 A fuel evaporator having an evaporation chamber for evaporating a liquid raw fuel injected from a raw fuel injection device with a high-temperature heat medium, and a high-temperature heat medium passage through which the high-temperature heat medium after evaporating the liquid raw fuel flows. At
A catalyst combustor is provided adjacent to the evaporation chamber, and the high-temperature heat medium passage is provided on a surface of the evaporation chamber except for a portion where the catalyst combustor is adjacent;
A fuel evaporator.